WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 


Pages:   || 2 | 3 |

«МЕТАЛЛЫ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ Учебное пособие для лекционного курса Основы бионеорганической химии Казань 2012 УДК 546 + 577.1 Печатается по решению Редакционно-издательского совета ФГАОУВПО ...»

-- [ Страница 1 ] --

Казанский (Приволжский) федеральный

университет

МЕТАЛЛЫ

В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ

Учебное пособие для лекционного курса «Основы

бионеорганической химии»

Казань 2012

УДК 546 + 577.1

Печатается по решению Редакционно-издательского совета

ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Учебно-методической комиссии химического института им.А.М. Бутлерова Протокол N 7 от 22 марта 2012 г.

заседания кафедры неорганической химии Протокол N 6 от 15 марта 2012 г.

Составители:

Н.А.Улахович, Э.П.Медянцева, С.С.Бабкина, М.П.Кутырева, А.Р.Гатаулина Научный редактор:

д.х.н., профессор Н.А.Улахович Рецензенты:

зав.кафедрой аналитической химии КФУ, профессор, д.х.н., Г.А. Евтюгин, профессор кафедры неорганической химии КНИТУ, д.х.н., В.К. Половняк Металлы в живых организмах. Учебное пособие для лекционного курса «Основы бионеорганической химии» / Н.А.Улахович, Э.П.Медянцева, С.С.Бабкина, М.П.Кутырева, А.Р.Гатаулина. – Казань:

Казанский университет, 2012. – 102 с.

Учебное пособие предназначено для студентов третьего курса Химического института им.А.М.Бутлерова для углубленного изучения отдельных разделов лекционного курса «Основы бионеорганической химии». Особое внимание уделено роли металлов в биологических системах на молекулярном уровне. Рассмотрены ферментативные реакции окисления-восстановления с участием металлов, а также обширный класс металлопорфиринов. Приведены типы и структуры металлофлавинов, полинуклеотидов и нуклеиновых кислот. Описаны структура и биохимические функции металлосодержащих белков.

Содержание Введение…………………………………………………………………. 1. Основные понятия бионеорганической химии. Классификация металлов

2. Основные аспекты координационной химии применительно к бионеорганическим системам ……………………………………… 3. Важнейшие биохимические молекулы как лиганды ……………… 4. Металлоферменты и многоцентровые ферменты …………………. 4.1. Общие сведения о металлоферментах ………………………… 4.2. Характер действия ионов металлов и анионов на каталитическую активность ферментов ………………………. 4.

2.1. Типы взаимодействий фермента с ионами металла и лиганда ………………………………………………….……….. 4.2.2. Ингибирующее действие некоторых металлов ……….... 4.2.3. Каталитическая активность и свойства иммобилизованных ферментов в присутствии ионов металлов …………………………………………………………………..... 4.2.4. Активирующее влияние катионов металлов …………... 4.2.5. Двойственность характера действия ионов металлов в зависимости от их концентрации ……………………………... 5. Функции ДНК в организме и ее взаимодействие с низкомолекулярными эффекторами ……………………………….. 5.1. Взаимодействие ДНК с ионами тяжелых металлов …………. 5.2. Ионы металлов и репликация ДНК ….………………………... 5.3. Ионы металлов и транскрипция……………………………….. 5.4. Ионы металлов и трансляция ………………………………….. 5.5. Взаимодействие ДНК с комплексами металлов, обладающими противоопухолевой активностью ……………………………... 6. Комплексы металлов с порфиринами и порфириноподобными веществами ………………………………………………………….... 6.1 Структура порфиринов …………………………………………. 6.2. Гемоглобин и миоглобин ………………………………………. 6.3. Геометрия железопорфиринов ………………………………… 6.4. Цитохромы ……………………………………………………… 6.5. Витамин В12 ……………………………………………………... 6.6. Хлорофилл ………………………………………………………. 7. Взаимодействие металлов с другими простетическими группами.. 7.1. Ферредоксины …………………………………………………... 7.2. Резервы железа ………………………………………………….. 7.3. Медь. Медьсодержащие оксидазы …………………………….. 8. Биохимические функции молибдена ……………………………...... 8.1. Окислительно-восстановительные молибденсодержащие ферменты ………………………………………………………... 8.2. Фиксация молекулярного азота ……………………………....... 9. Роль марганца в ферментативном катализе и в организме ………... 10. Роль цинка в организме …………………………………………….. 11. Биологически активные щелочные металлы и их функции в организме ……………………………………………………………... 11.1. Ионный (натриевый) насос ………………………………...... 11.2. Ионофоры – комплексообразователи щелочных металлов.. 11.3. Ионные ионофоры ……………………………………………. Список сокращений ……………………………………………………... Список рекомендуемой литературы …………………………………… Краткий словарь терминов и понятий ………………………………….

ВВЕДЕНИЕ

Основная масса биологически активных металлов расположена в средней части первого большого периода таблицы Д.И. Менделеева и относится к так называемым переходным элементам. Исключение составляют четыре металла (натрий, калий, магний, кальций), которые содержатся в организмах в довольно больших количествах. К переходным относят те металлы, у которых в изолированных атомах dи f-орбитали заполнены электронами не полностью. Переходные металлы, как правило, содержатся в организмах в очень малых количествах. Из этого можно сделать вывод, что их значение должно быть в основном связано с катализом. Активные катализаторы могут способствовать быстрым изменениям состава вещества действуя в малых концентрациях. Переходные металлы могут еще выполнять (вместе с органическими соединениями) и другую функцию – переносить с места на место группу атомов или целые молекулы, закреплять молекулы в определенном положении, поворачивать их, поляризовать их и т.п. К жизненно важным (эссенциальным) относятся только те катионы металлов, которые присутствуют во всех здоровых тканях человека и диапазон концентраций которых практически постоянен в каждой из тканей. Исключение таких металлов из организма приводит к физиологическим аномалиям.

Бионеорганическая химия – интенсивно развивающаяся и крайне перспективная область современной химии, которая постоянно обогащается все новыми достижениями и открытиями, совершенными на стыке наук. Изучение данной дисциплины позволит студентамхимикам еще раз систематизировать свои знания в различных областях химии (координационной химии, физической химии, химии высокомолекулярных и элементорганических соединений) и активизировать их применительно к более сложным биологическим молекулам.

Изучение основ бионеорганической химии позволит расширить кругозор студентов за счет основных понятий биологии и объяснить, что исследование такой сложной системы, как живая клетка, возможно лишь путем изолирования ее отдельных частей и изучения их как моделей различными науками, в частности методами неорганической химии. Кроме того, выпускники-химики смогут использовать свои знания аспектов бионеорганической химии, в частности для решения задач медицины, фармакологии, охраны окружающей среды и т.д.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ БИОНЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Химические элементы, из которых построены наиболее важные биополимеры (белки и нуклеиновые кислоты) называются органогенами. Их шесть: H, O, N, C, P, S. В этом ряду присутствуют все валентности от I до VI. Составом, строением и превращениями в организме сложнейших биополимеров, состоящих из этих шести элементов, занимается классическая биохимия и биоорганическая химия.

Бионеорганическая химия или неорганическая биохимия – это раздел науки, в рамках которого исследуется состав, строение и функции металлсодержащих соединений в организме. Металлы, присутствие которых необходимо для нормального функционирования организма, как уже отмечалось, называются жизненно необходимыми.

Таких биометаллов десять. С химической точки зрения их можно классифицировать следующим образом:

непереходные элементы (Na, K, Mg, Ca, Zn);

переходные элементы (Mn, Fe, Co, Cu, Mo).

Характерный признак жизненно необходимых элементов – это колоколообразный вид кривой доза металла – ответная реакция организма. При малых содержаниях такого элемента в организме человека функционирование происходит на пределе выживания за счет компенсаторных механизмов. Это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит данный элемент. При повышении дозы этого элемента ответная реакция организма возрастает, достигая нормы. Дальнейшее увеличение дозы приводит к снижению функции вследствие токсичного действия избытка элемента вплоть до летального исхода. Например, нормальная концентрация ионов калия в межклеточной жидкости составляет 4-5 мМ. Повышение ее до 8 мМ вызывает аномалии в нервной системе, приводит к ослаблению сердечной деятельности и смертельному исходу.

Примесными называются микроэлементы, при малом содержании которых организм может нормально функционировать. Токсичные металлы ( Hg, Cd, Pb, As) оказывают в основном вредное воздействие на организм, и кривая доза – ответная реакция для них находится только в отрицательной области.

Известна также классификация металлов по их массовой доле в организме. Если масса человека составляет 70 кг, то в организме содержится 1700 г кальция, 250 г калия, 70 г натрия, 42 г магния, 5 г железа, 3 г цинка, 0.2 г меди, остальных элементов меньше 0.1 г. Если массовая доля элемента в организме превышает 10-2%, то это макроэлемент. Если она составляет 10-3 – 10-5%, то это микроэлемент.

ультрамикроэлементом.

Поступают в организм металлы в основном с пищей и водой, существуют в нем в различных формах (табл.1).

Таблица 1. Необходимые ионы металлов В таблице 2 приведена периодическая система Д.И.Менделеева с характеристикой биологической активности химических элементов по 9 бальной системе. Оценка основана на проявлении симптомов дефицита или избытка определенного элемента. Оценка основана на проявлении симптомов дефицита или избытка определенного элемента. Она учитывает следующие симптомы (в порядке возрастания эффекта): 1 – снижение аппетита, 2 – потребность в изменении диеты, 3 – значительные изменения состава тканей, 4 – повышенная повреждаемость одной или нескольких биохимических систем, 5 – недееспособность этих систем, 6 – субклинические признаки недееспособности, 7 – клинические симптомы недееспособности и повышенная повреждаемость систем, 8 – заторможенный рост, 9 – отсутствие репродуктивной функции или летальный исход. При такой оценке наиболее высоким баллом характеризуются жизненно необходимые элементы.

Таблица 2. Характеристика биологической активности химических элементов

I A II A III B IV B VB VI B VII B VIII B IB II B III A IV A VA VI A VII A VIII A

1. Что такое жизненно необходимые металлы?

2. В чем проявляется синергизм и антагонизм действия металлов?

Приведите примеры.

3. Какой вид имеет зависимость «доза металла – ответная реакция организма» для жизненно необходимых элементов?

4. В каком случае микроэлементы называют примесными?

5. Каким образом можно классифицировать металлы в организме?

2. ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ КООРДИНАЦИОННОЙ ХИМИИ

ПРИМЕНИТЕЛЬНО

К БИОНЕОРГАНИЧЕСКИМ СИСТЕМАМ

Достижения в области химии координационных соединений, использование современных физических и физико-химических методов, исследования биологических систем и их моделей позволили установить, что большинство металлов действует в организме в форме химических соединений, в которых содержится центр координации.

Это может быть как «вернеровский» одиночный атом, так и целая связанная атомная группировка, существующая в кластерах. Между центральным атомом металла в кластере и его ближайшим окружением существует, по крайней мере, два типа взаимодействия:

ионное (кулоновское) и ковалентное.

Прочность ионной связи определяется зарядом центрального иона и его размерами, условно характеризующимися ионным радиусом.

Прочность ковалентной связи определяется взаимным перекрыванием атомных орбиталей и близостью их энергетических уровней. Очень глубоко энергетические уровни расположены в наиболее электроотрицательных атомах фтора и кислорода, несколько выше эти уровни расположены в атомах аминного азота и, наконец, наиболее высоко этот уровень находится в атоме сульфидной серы. Глубина расположения верхней занятой атомной орбитали характеризует «жесткость» донорных атомов по Пирсону. Чем глубже расположен этот уровень, тем труднее смещаются электроны к центральному атому, тем более «жестким» оказывается атом. К жестким кислотам по концепции Пирсона «жестких и мягких кислот и оснований» (ЖМКО) относятся следующие ионы металлов из жизненнонеобходимых: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Mn2+, Mo6+. К мягким кислотам относятся катионы dэлементов с невысоким положительным зарядом. Из металлов жизни это Cu2+. Жизненнонеобходимые металлы Fe2+, Co2+ и Zn2+ занимают промежуточное положение.

Жесткие основания – это лиганды, содержащие атомы элементов с высокой электроотрицательностью. В белковых молекулах это кислород и олефатический азот. Мягкие основания – это легко поляризуемые лиганды, например, I-, RS-. Ароматический азот в белковых молекулах занимает промежуточное положение.

Геометрия расположения донорных атомов в кластере, при условии достаточной подвижности, в значительной степени зависит от строения наружной электронной оболочки иона металла. Ионы металлов с заполненными электронными оболочками склонны к образованию вокруг себя окружения с высокой степенью симметрии (октаэдр, тетраэдр и т.д.). Геометрия кластеров с выраженным ковалентным взаимодействием в значительной степени определяется типом акцепторных орбиталей. Если ионы имеют незаполненные dорбитали, то их число и тип определяют геометрию кластера, например, Cu2+ имеет одну вакантную d-орбиталь, поэтому донорные атомы в этом случае располагаются либо по вершинам квадрата, либо по вершинам тетрагональной бипирамиды.

3. ВАЖНЕЙШИЕ БИОХИМИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ КАК

ЛИГАНДЫ

Аминокислоты. В биологических системах присутствуют двадцать наиболее распространенных аминокислот. Кроме того, существуют аминокислоты, присутствующие лишь в отдельных белках, например, оксилизин и оксипролин. Все аминокислоты представляют собой -аминокислоты L-конфигурации, причем у подавляющего большинства из них аминогруппа – первичная;

исключение составляют аминокислоты: пролин и оксипролин. В физиологическом диапазоне рН аминогруппа протонирована, а карбоксильная группа – ионизирована. Поэтому аминокислоты называют цвиттерионами.

К взаимодействию с ионами металлов способны и амино- и карбоксильная группа, а также многие группы, встречающееся в боковых цепях, например –ОН в серине и тирозине, вторая группа СОО- в аспарагиновой и глутаминовой кислотах, -SH в цистеине, -S-Sв цистине, вторая азотсодержащая группа в аргинине или гистидине.

Прочность связей в комплексах металлов с оптически активными лигандами не зависит от конфигурации хирального центра в лиганде, если все лиганды относятся к одному оптическому ряду. При взаимодействии с металлами для аминокислот характерно также хелатирование, при котором обе функциональные группы образуют связи с одним атомом металла. Некоторые аминокислоты, имеющие в боковой цепи электронодонорную группу, например, гистидин, способны играть роль тридентатных лигандов. Размер и форма боковой цепи опеделяют пространственные эффекты в процессе хелатирования и влияют на форму пептидных цепей.

Производные аминокислот. В качестве лигандов могут выступать производные аминокислот, которые можно разделить на две группы: пептиды, являющиеся продуктами конденсации аминокислот, и обычные производные, к которым относятся, например, гормоны и химиотерапевтические средства (гормон адреналин – производное тирозина, пеницилламин – производное цистеина).

Полипептиды. Это продукты конденсации аминокислот с молекулярной массой до 5000. Аминокислотные остатки связаны друг с другом пептидной связью – CO-NH-. Полипептидная цепь не является линейной из-за пространственных эффектов боковых цепей и наличия целого ряда взаимодействий: электростатического, гидрофобного, а также водородных, координационных, дисульфидных и сложноэфирных связей. Пептиды являются полидентатными лигандами.

Белки. Это высокомолекулярные природные соединения, состоящие из -аминокислот. Благодаря наличию многих функциональных групп и высокой организации пространственной структуры (первичной, вторичной, третичной и четвертичной) белки являются уникальными комплексообразователями по отношению к металлам. Подробнее роль белков рассматривается в лекционном материале в зависимости от выполняемых ими функций в организме.

Ферменты. Это белки, обладающие каталитической функцией благодаря наличию в их структуре активных центров, высокоспецифичных к субстрату – веществу, подвергающемуся ферментативному воздействию. По химическому строению ферменты делятся на протеины (простые белки) и протеиды, активность которых зависит от групп небелковой природы – кофакторов (при этом белковая часть протеида называется апоферментом). Кофакторами могут служить как металлы, так и органические молекулы; они подразделяются на простетические группы ( прочная связь с апоферментом, например, гем) и коферменты (непрочная связь, легко отделяются от белковой части и могут существовать самостоятельно, например, витамины).

Гормоны. К этой группе относятся вещества, вырабатываемые в низких концентрациях эндокринными железами и участвующие в регулировании процессов в организме за счет взаимодействия с ферментом или изменения проницаемости мембран. Гормоны делят на три группы: 1) производные аминокислот; 2) пептиды и белки; 3) стероиды (например, тестостерон содержит в своей молекуле гидроксильную и карбонильную группы).

Белки крови. К ним относятся альбумины, благодаря которым поддерживаются постоянными осмотическое давление и рН, и глобулины, которые участвуют в процессах переноса веществ и в свертывании крови. -Глобулины играют важную роль в формировании иммунитета, связывая в комплексы вещества, чужеродные организму – антигены, и обезвреживая их.

Нуклеиновые кислоты и нуклеопротеиды. Нуклеиновые кислоты – это полинуклеотиды, участвующие в молекулярных механизмах хранения и передачи генетической информации. В состав их молекул входят: углевод (рибоза в РНК и дезоксирибоза в ДНК), азотистые гетероциклические основания (пуриновые и пиримидиновые) и остатки фосфорной кислоты. Связь углевода с фосфорной кислотой – сложноэфирная, а углевода с азотистым основанием – гликозидная. При физиологических значениях рН фосфаты депротонизированы, в результате чего полимер отрицательно заряжен, что способствует комплексообразованию нуклеиновых кислот с ионами металлов. Азотистые основания содержат несколько электронодонорных атомов азота и кислорода, которые участвуют в комплексообразовании. Экзоциклические атомы азота аминогрупп в составе азотистых оснований никогда не принимают участие в непосредственном комплексообразовании с ионами металлов, связывание может осуществляться только через акваионы.

Нуклеопротеиды – это комплексы нуклеиновых кислот с белками, удерживаемые за счет электростатического взаимодействия. Они делятся на РНП и ДНП и необходимы для репродуктивной функции организма.

Углеводы, липиды и карбоновые кислоты. В углеводах как лигандах донорами электронов могут быть спиртовые и кетогруппы; в карбоновых кислотах – карбоксильная группа, которая при рН крови находится в ионной форме. В организме человека углеводы играют роль источника энергии и ее хранения. Липидами называют природные водонерастворимые вещества, входящие в состав клеточных мембран. Существуют различные типы липидов:

триглицериды (жиры) и жирные кислоты, фосфатиды – двузамещенные остатками глицеридов или спиртов эфиры фосфорной кислоты, терпены (например, витамин А), стероиды (входят в состав клеточных мембран, например, холестерин).

Вода и неорганические анионы. Вода составляет 70 % массы тела человека, из них 49 % находится внутри клеток, 17 % - в межклеточных жидкостях и 4 % - в плазме крови. Катионы металлов в организме связывают молекулы воды в качестве лигандов в первой координационной сфере. Макромолекулы организма, например, коллоиды крови, благодаря молекулам воды принимают определенную конформацию с гидрофильными группами на внешней поверхности. К анионным лигандам относятся карбонат-, фосфат- и сульфат-ионы, ионы галогенидов, гидрокарбонат- и гидрофосфатионы.

4. МЕТАЛЛОФЕРМЕНТЫ И МНОГОЦЕНТРОВЫЕ

ФЕРМЕНТЫ

4.1. Общие сведения о металлоферментах Металлоферменты – это ферменты класса протеидов, для каталитического действия которых необходимы ионы металлов. Всего известно около 700 ферментов, четвертую часть которых составляют металлоферменты. В их состав входят в основном ионы переходных металлов (например, железо входит в состав 70 ферментов, медь – 30, марганец – 12). Металлоферменты делят на две группы:

1. Металлоферментные комплексы или металлактивируемые системы, отличительными характеристиками которых являются:

• непрочная связь с апоферментом, обладающим минимальной ферментативной активностью, металл легко отделяется от апофермента;

• металл связывается с апоферментом не в строго стехиометрических соотношениях;

• один металл можно заменить другим, т.е. металл играет роль активатора фермента (например, магний в составе фермента могут заменить марганец, кобальт и никель).

2. Истинные металлоферменты. Их основные особенности сводятся к следующему:

• металл прочно связан с апоферментом и образует кластер, ответственный за каталитическую активность, включение иона металла в активный центр происходит только в процессе биосинтеза металлофермента;

• металл связан с апоферментом в строго определенных стехиометрических соотношениях (на 1 моль апофермента приходится от 1-2 до 4-6 атомов металла);

• нельзя заменить один металл активного центра на другой.

Это деление достаточно условно, величина константы устойчивости комплекса фермент – ион металла 107 – 108 М- определяет границу между истинными металлоферментами и металлоферментными комплексами.

Катализируемые металлоферментами реакции можно разделить на две большие группы: гидролитические реакции и окислительновосстановительные реакции.

В гидролитических реакциях не происходит переноса электронов, а лишь разрушаются и образуются химические связи в различных субстратах. Например, цинк-карбоангидраза катализирует процесс превращения диоксида углерода в гидрокарбонат-ион. Гидролиз пептидной связи N- и С-концевых участков происходит под действием аминопептидазы с магнием, цинком или марганцом в активном центре и карбоксипептидазы с цинком активном центре. Неспецифический гидролиз полипептидной связи на любом участке катализируется кальций-содержащей протеазой.

Окислительно-восстановительные реакции (с переносом электронов) играют большую роль в жизненноважных процессах.

Основным окислителем в биологических процессах является молекулярный кислород атмосферы или воды. Главные продукты окисления – вода и углекислый газ. Окисление-восстановление может осуществляться в организме не только путем передачи электронов, но и путем передачи атомов (О, Н и др.) и ионов (например, гидрид-ион Н-). Особенно быстро протекают реакции передачи одного электрона с участием только двух частиц – одноэлектронных окислителей и восстановителей соответственно. Известна большая группа металлоферментов – дегидрогеназ (с цинком в активном центре), катализирующая реакции отщепления гидрид-ионов от различных субстратов, например, алкогольдегидрогеназы отщепляют гидридионы от спиртов, превращая их в альдегиды. Реакции окисления альдегидов до карбоновых кислот катализируют альдегидоксидазы, содержащие молибден.

Примеры металлоферментов и катализируемых ими реакций приведены в табл.3.

Таблица 3. Металлоферменты Щелочная фосфотаза Гидролиз эфиров фосфорной Zn Алькогольдегидрогеназа Дегидрирование (НАД) Zn Карбокситрансфосфорилаза Перенос фосфатной группы Co Цитохромооксидаза Окисление (последнее звено в Cu, Fe Если металлофермент содержит несколько ионов металлов, то они называются многоцентровыми металлоферментами. Они состоят из нескольких субъединиц, но выполняют одну функцию (табл. 4).

Таблица 4. Некоторые многоцентровые металлоферменты (в скобках указано число атомов металла) дигидрооротовой кислоты кислоты Причем такие ферменты содержат различные металлы или несколько атомов одного и того же металла в одинаковых или различных степенях окисления. Например, многоцентровый фермент алкогольдегидрогеназа, окисляющий спирты до альдегидов, содержит от 2 до 4 атомов цинка, причем их роль различна: часть атомов цинка поддерживает структуру белковой молекулы, остальные – представляют собой координационные центры, ориентирующие гидроксильную группу спирта и кофермент HAD+, участвующий в реакции.

Строение металлсодержащего кластера, изучаемого в бионеорганической химии, отличается сильно искаженной геометрией и сравнительно невысокой симметрией. Низкая симметрия ближайшего окружения металлов в металлоферменте, по мнению ряда исследователей, и есть причина их высокой каталитической активности. Низкая симметрия позволяет реализовать многочисленные переходные состояния. Металлсодержащий кластер отличается иногда и необычной электронной структурой, проявляющейся в принципиальной невозможности определения степени окисления металла.

Таким образом, металл в организме может участвовать в ферментативных реакциях различными способами:

• металл может являться составной частью активного центра • металл может создавать и стабилизировать ту конформацию белковой молекулы в пространстве, которая обладает максимальной каталитической активностью;

• металл может воздействовать на субстрат, изменяя его электронную структуру таким образом, что он легче будет вступать в ферментативные реакции;

• металл может выполнять роль «мостика», связывающего фермент и субстрат при образовании фермент-субстратного комплекса Михаэлиса.

Моделирование металлоферментов – одна из наиболее сложных и вместе с тем наиболее актуальных проблем бионеорганической химии.

Модель металлофермента должна включать в себя по крайней мере модель активного центра (кластера) и модель полости, соответствующим образом «подготавливающей» молекулы субстрата к реакции.

4.2. Характер действия ионов металлов и лигандов на каталитическую активность ферментов 4.2.1. Типы взаимодействия фермента с ионом металла и Наиболее важными аномальными эффектами, вызываемыми ионами металлов и анионами на молекулярном уровне, являются:

воздействие на ферменты (ингибирование или активации), необратимые конформационные изменения макромолекул (белков, нуклеиновых кислот) и, как следствие, изменение скорости процессов метаболизма и синтеза, возникновение мутаций. Все это приводит к нарушению структуры и проницаемости клеточных мембран.

Нарушение нормальной жизнедеятельности клеток обуславливает дисфункцию органов, а в ряде случаев – появление новообразований.

Роль ионов металлов в механизме каталитического действия ферментов многообразна и не всегда поддается однозначной интерпретации. Для одной группы ферментов характерно наличие одного или нескольких прочно связанных ионов металлов, (металлоферменты). Другая группа ферментов не содержит непосредственно связанных ионов металлов, но проявляет каталитическую активность только в их присутствии (металлозависимые или металлоактивируемые ферменты). Для третьей группы ферментов металлы не являются обязательными участниками каталитической реакции, однако их присутствие в системе влияет на активность ферментов (металлозависимые ферменты). Типы взаимодействия фермента (Е) с ионом металла (Мn+) и лигандом (L) приведены на рис.4.1.

Рис.4.1. Типы взаимодействия фермента с ионом металла и лигандом.

В общем случае при ферментативном катализе образуется три типа комплексов ферментов с металлами:

1. Комплексы с лигандом L (субстратом), который выполняет роль мостика (ион металла связан только с лигандом и участвует в катализе, не взаимодействуя непосредственно с ферментом (рис.4.1., путь I).

Подобные комплексы характерны для многих ферментов, например, для креатинкиназы, других киназ и синтетаз. Структура такого комплекса может изменяться в зависимости от того, какой из участников этого взаимодействия выступает в роли мостика (E-M-L, E-L-M, M-E-L). В рассматриваемом случае, ион металла связан только с лигандом и участвует в каталитическом процессе не взаимодействуя непосредственно с ферментом.

2. Комплексы, в которых ион металла либо полностью (рис.4.1, путь II а), либо частично (рис.4.1, путь II b) связывает лиганд.

Существование комплексов фермент – металл – лиганд доказано с помощью методов ЯМР (для пируваткиназы), ренгеноструктурного анализа (для карбоксипептидазы) и инфракрасной спектроскопии (для карбоангидразы).

Комплексы фермент – металл – лиганд с мостиковым металлом образуются по меньшей мере двумя путями:

где L - соответствующий лиганд.

Возможен и третий путь, когда не связанный с ферментом ион металла проявляет значительное сродство к лиганду:

Во всех мостиковых комплексах, представленных на рис.4.1 (путь II) ионы металлов могут участвовать в ферментативном катализе, либо являясь единственным связующим звеном между ферментом и лигандом (путь II а), либо участвуя в образовании более сложного мостика (путь II b). Во всех случаях представленных на этом рисунке (путь II) ион металла, благодаря своим координационным свойствам, играет важную роль во взаимодействии белка с лигандом.

3. Комплексы, где в качестве моcтика выступает фермент (т.е. ион металла и лиганд взаимодействуют с ферментом по разным местам) (рис.4.1, путь III). В результате такого взаимодействия изменяются свойства каталитического центра фермента или центра связывания лиганда. Роль мостика между металлом и лигандом в таких случаях играет фермент. Такой тип комплексов характерен, например, для глутаминсинтетазы и других синтетаз.

Каталитическая активность ферментов, являющаяся их важнейшей характеристикой, может существенно различаться в зависимости от типа взаимодействия ионов металлов с ферментами.

Поэтому изучение влияния ионов металлов на активность ферментов имеет не только большое практическое значение, но и теоретическое.

К сожалению, не всегда удается установить, какой из представленных механизмов реализуется в каждом конкретном случае, поскольку возможно и одновременное взаимодействие ионов металлов с ферментом по нескольким механизмам. Наибольшее значение в регуляции активности ферментов, по-видимому, имеют те ионы, которые способны включаться в этапы биосинтеза и биоразрушения, усиливающие или угнетающие активность ферментов (выполняя роль активаторов или ингибиторов) и не являющиеся их обязательной составной частью.

Каталитическую активность ферментов в присутствии металлов оценивают чаще всего по изменению скорости ферментативной реакции. С этой целью определяют изменение концентрации субстрата или продуктов реакции во времени. В качестве аналитического сигнала, чаще всего используют оптическую плотность или потенциал окисления (восстановления).

4.2.2. Ингибирующее действие некоторых металлов Большинство процессов ингибирования ферментативной активности негативно сказываются на процессах жизнедеятельности.

Молекулярный механизм ингибирующего действия ионов металлов на каталитическую активность ферментов установить достаточно трудно.

Металл может конкурировать с субстратом за места связывания в активном центре. В то же время он может взаимодействовать с различными группами белковой молекулы, находящимися вне активного центра, но влияющим на каталитические функции фермента, т.е. связываться с аллостерическим центром фермента.

Ингибирующее действие ионов металлов на молекулу фермента может быть обусловлено образованием сульфидов как с цистеином, входящим в состав ферментов, так и с продуктами распада. Если остаток цистеина входит в структуру активного центра фермента или ответственен за поддержание соответствующей конформации белковой молекулы, то модификация его тиольных групп инактивирует фермент. Кроме того, ионы тяжелых металлов могут катализировать окисление тиольных остатков до дисульфидов:

Чаще всего ингибирующее действие ионов металлов объясняют их способностью образовывать координационные связи. Как известно, входящие в активные центры ферментов нуклеофильные остатки некоторых аминокислот склонны к образованию координационных связей с ионами тяжелых металлов. Так, остаток гистидина – составная часть эстеразного участка активного центра холинэстеразы (ХЭ) – может взаимодействовать с ионами металлов. Различие в ингибирующей способности металлов возможно связано с разницей в ионном радиусе катионов.

Двухзарядные ионы Hg2+, Cu2+, Co2+, Cd2+, Zn2+, Pb2+, Ni2+ и некоторые другие оказывают ингибирующее действие на бычью рибонуклеазу А, уреазу, различные холинэстеразы и ряд других.

Обычно для количественной оценки ингибирующего действия используют величину I50 (концентрация ингибитора, при которой происходит 50%-ное уменьшение каталитической активности фермента) и константу ингибирования Ki. Чем меньше величина этой константы, тем сильнее металл подавляет активность фермента. На примере уреазы St. Saprophyticus установлено, что по эффективности ингибирующего влияния ионы металлов располагаются в следующей последовательности: Ag+ Ni2+ Cd2+ Co2+ Hg2+ Cu2+ Zn2+ Pb2+.Эти ионы металлов начинают проявлять ингибирующее действие при концентрациях от 110-7 до 2.510-6 моль/л. Максимально возможное ингибирующее действие (100%) ионы Ag+ оказывают при концентрации 510-4 моль/л, а ионы Hg2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+ - 110- моль/л. Ионы Ni2+, Cd2+, Co2+, присутствующие в реакционной среде при концентрациях, больших или равных 10-3 моль/л, не вызывают полного подавления активности фермента (уреаза сохраняет 10-20% исходной каталитической активности). Процесс ингибирования уреазы указанными ионами металлов не зависит от концентрации фермента и продолжительности инкубации с раствором соли металла.

Ингибирующий эффект изученных ионов обратим и легко снимается разбавлением или обессоливанием фермента на колонке с сефадексом G-25.

Однако в присутствии ионов Pb2+, Hg2+, Zn2+, Ag+, если их концентрация в реакционной среде превышает 10-3 моль/л, наступает необратимая денатурация фермента. Для ионов Cu2+, Ni2+, Cd2+, Co2+ во всем исследованном интервале концентраций (10-7 – 10-3 моль/л) не наблюдалось такого ингибирования, после которого фермент нельзя было бы реактивировать. Можно предположить, что в данном случае имеет место обратимое неспецифическое ингибирование. Из этого примера следует, что действие ионов металлов на каталитическую активность не всегда можно трактовать однозначно и их влияние имеет весьма сложный характер.

Ингибирующее действие на каталитическую активность бычьей РНКазы усиливается в следующем ряду: Ba2+ Sr2+ Ca2+ Mg2+ Mn3+ Fe2+ Co2+ Ni2+ Pb2+ Cd2+ Zn2+ Cu2+ Hg2+. Как видно, наибольшую ингибирующую активность проявляют катионы Hg2+, Cu2+, Zn2+. Катионы семейства железа (Mn2+, Fe2+, Co2+, Ni2+) являются слабыми ингибиторами, а катионы Ba2+, Sr2+ и Ca2+ вообще не проявляют ингибирующего влияния.

Использование констант ингибирования для оценки ингибирующей способности катионов металлов некорректно по нескольким причинам:

1) из-за отсутствия у катионов металлов строго выраженной взаимодействия с различными по электронному влиянию группами активных центров ферментов;

2) из-за сложной зависимости характера ингибирования ферментов катионами металлов от концентрации металла;

3) из-за способности катионов металлов вступать в реакции комплексообразования не только с ферментами, но и с их Для оценки ингибирующей силы катионов был введен показатель W, равный сумме электростатической (Z2/r) и приведенной ковалентной (Е - Н) характеристик:

где Z - заряд иона, r - радиус иона, Е - потенциал ионизации первого и второго электронов, Н - энергия гидратации катиона.

Большая ингибирующая активность катионов Zn2+, Cu2+ и Hg2+ определяется, главным образом, ковалентными характеристиками. У электростатические характеристики сопоставимы с аналогичными характеристиками катионов приведенных ковалентных характеристик в 2-3 раза ниже. Эти катионы проявляют слабую ингибирующую способность. У катионов Ba2+, Ca2+, Mg2+ и Sr2+ значения электростатических и особенно приведенных ковалентных характеристик ниже, чем у Zn2+, Cu2+, Hg2+.

Экспериментальные данные показывают, что эти катионы в концентрациях 10-4 - 10-2 моль/л не ингибируют РНКазу.

Редкоземельные элементы (РЗЭ) (Pr, Nb, Sm, Eu, Tb, Er, Tu, Yb) также влияют на каталитическую активность неорганических пирофосфатаз из пекарских дрожжей и кишечной палочки. При исследовании зависимости скорости индикаторной реакции от концентрации РЗЭ в интервале 10-5 – 10-1 мкг/мл установлено, что все ионы оказывают ингибирующее действие на каталитическую активность обоих ферментов. При этом ингибирующее действие разных РЗЭ проявляется в различных диапазонах концентраций.

Наиболее эффективным ингибитором пирофосфатаз оказался Pr3.

Ингибирующее действие РЗЭ понижается при переходе от празеодима к иттербию, т.е. с уменьшением ионного радиуса РЗЭ. Механизм ингибирования неорганической пирофосфатазы празеодимом соответствует полному конкурентному ингибированию. Константа ингибирования, характеризующая устойчивость комплекса фермент – ингибитор, свидетельствует о том, что ионы Pr3+ образуют с пирофосфатазой более устойчивый каталитически неактивный комплекс, чем ионы Eu3+.

Часто рассматривают влияние ионов металлов на каталитическую активность ферментов только качественно, отмечая лишь наличие соответствующего эффекта и область концентраций, в которой он проявляется. Например, известно, что ионы Cu2+ вызывают уменьшение каталитической активности глутаматдегидрогеназы печени быка (величина I50 равна 2 10-6 моль/л). При концентрации ионов Cu2+, равной 1 10-5 моль/л и выше, остаточная активность составляет 8-10% от исходной. Уменьшение активности объясняется прямым взаимодействием катиона меди с глутаматдегидрогеназой (спектр поглощения глутаматдегидрогеназы в присутствии Cu2+ свидетельствует об образовании комплекса фермент – металл).

Ингибирование носит аллостерический характер. Ионы Zn2+ также являются ингибиторами данного фермента. Спектральные данные свидетельствуют об одинаковом характере конформационных изменений фермента в области связывания субстрата, вызываемых катионами Cu2+ и Zn2+.

Катионы Zn2+ ингибируют и поли(АДФ-рибозо)полимеразу из головного мозга крыс. При концентрации Zn2+, равной 1.25 10- моль/л, ферментативная активность полностью подавляется.

Связывание сульфгидрильных групп полимеразы с ионами Zn2+ вызывает изменение ферментативной активности, причем эффект ингибирования обратим.

Ионы Cd2+ в концентрации 1 10-4 мкг/мл ингибируют также пероксидазу хрена. На каталитическую активность пероксидазы оказывают ингибирующее действие и катионы Hg2+ в концентрации 5 10-13 - 5 10-8 моль/л. Падение активности пероксидазы наблюдается также в присутствии Bi3+ в интервале концентраций (2-10)10-4 мкг/мл.

При больших концентрациях Bi3+ скорость реакции практически не меняется.

Протеиндисульфидредуктаза из печени быка катализирует тиолдисульфидный обмен между глутатионом и инсулином, а также обладает способностью реактивировать произвольно окисленную рибонуклеазу. Активность данного фермента подавляется ионами Cu2+ и Hg2+.

ацетилхолинэстеразы (АХЭ) эритроцитов человека в широком диапазоне концентраций солей цинка(II), меди(II), железа(II), кобальта(II) и никеля(II). Эти соли являются обратимыми конкурентными ингибиторами АХЭ. Исключение составляет хлорид марганца(II), который вообще не влияет на активность АХЭ.

пропорционально концентрации соответствующего металла.

Зависимость степени ингибирования АХЭ солями от величины рН позволяет сделать вывод о том, что ингибиторами активности АХЭ являются гидроксокомплексы типа МОН+.

Кальций занимает особое место в ряду металлов. Для него характерно, скорее, активирующее, а не ингибирующее действие.

Однако кальций может ингибировать некоторые ферменты, например, дрожжевую гексокиназу или щелочную фосфатазу.

Ионы кальция при 10-100-кратном избытке по отношению к празеодиму усиливают ингибирующее действие последнего. Это связано, по-видимому, с тем, что ионный радиус Са2+ близок к радиусам РЗЭ, поэтому кальций может оказывать аналогичное РЗЭ влияние на фермент.

Са2+ заметно снижают активность гексокиназы.

Катионы Каталитическая активность щелочной фосфатазы из кишечника цыплят также уменьшается в присутствии ионов кальция в концентрации 10-3 – 1 мкг/мл. Необходимо отметить, что ингибирующее действие кальция на данный фермент уменьшается с возрастанием концентрации катиона.

4.2.3. Каталитическая активность и свойства иммобилизованных ферментов в присутствии ионов металлов В последнее время все чаще рассматривают каталитическую активность и свойства иммобилизованных ферментов. Такие системы можно рассматривать и как модельные мембраны живых организмов.

Ионы металлов влияют на каталитическую активность и иммобилизованных ферментов.

Уреаза, иммобилизованная на твердом носителе (микропористом сополимере стирола с дивинилбензолом), ингибируется ионами проявляться уже при концентрации 10 – 10 моль/л. Для большинства ионов этот эффект проявляется при концентрации уже 10-8 моль/л. По эффективности ингибирующего действия ионы металлов могут быть расположены в следующий ряд: Ag+ Hg2+ Fe2+ Cu2+ Ni2+ Co2+ Al3+ Mg2+ Cd2+ Pb2+. Как уже отмечалось, катион Ag+ является наиболее сильным, а Pb2+ - наиболее слабым ингибитором нативной уреазы, в то время падение ингибирующего влияния в ряду других металлов для нативной уреазы отличается от такового для иммобилизованной. Это связано с изменениями, происходящими с ферментом при иммобилизации.

иммобилизованную включением в пленки из нитрата целлюлозы, влияет целый ряд ионов: Zn2+, Fe2+, Ni2+, Hg2+, Pb2+, Tl+, Bi3+, Cd2+, Cu2+, Cr3+, Hf4+, Ti4+, Zr4+. Все ионы этих металлов оказывают ингибирующее действие. Наибольшей эффект из них проявляет Cu2+.

Минимальная концентрация, вызывающая статистически достоверное уменьшение каталитической активности иммобилизованной холинэстеразы, для Cu составляет 410 моль/л. Для других ионов аналогичное изменение каталитической активности наблюдается при следующих концентрациях (табл.5).

Таблица 5. Минимальная концентрация ионов, вызывающая ингибирующий эффект на иммобилизованную в нитрат целлюлозную пленку ХЭ c, моль/л Ион металла Сr(III) Pb(II) Fe(III) Cd(II) c, моль/л Ингибирующий эффект зависит и от каталитической активности самого фермента. Например, для ХЭ, иммобилизованной в матрицу из 1.12±0.04 мкмоль мин см величина минимальной концентрации для иона меди составляет 410-10 моль/л, а для образцов с меньшей удельной активностью – 1 10-9моль/л.

Каталитическая активность иммобилизованной ХЭ, падение которой вызвано при действием ионов тяжелых металлов, полностью восстанавливается растворами цичтеина и ЭДТА. Однако в случае Pb2+ достигается только 70%-ная реактивация полностью ингибированной ХЭ. Это связано с возможностью воздействия Pb2+ с остатком гистидина, входящим в состав активного центра ХЭ, особенно при действии достаточно больших ( 10-4 моль/л) концентраций Pb2+.

4.2.4. Активирующее влияние катионов металлов Металлы могут не только снижать, но и увеличивать каталитическую активность ферментов. Чаще всего активирующее действие на ферменты оказывают ионы щелочноземельных металлов.

Например, катионы Са2+ не являются избирательными активаторами, но оказывают активирующее влияние на митохондриальную глицерофосфатдегидрогеназу. Они способны взаимодействовать как с элетронодонорными аминокислотными остатками, так и с атомами азота пептидных связей, не обязательно входящими в состав активного центра фермента. Из этого следует, что не все катионы Са2+, взаимодействующие с ферментом, играют одинаковую роль в поддержании его активности. Часть из них, вступая в реакцию с аминокислотными остатками, расположенными вдали от активного центра фермента, может не только не проявлять активирующего действия, но, наоборот, вызвать ингибирующий эффект.

Совместное присутствие в растворе нескольких катионов металлов даже близкой природы (Са, Мg) оказывают неоднозначное действие на активность исследуемого фермента. Один из ионов может либо усиливать действие, оказываемое другим (т.е. проявлять синергизм), либо ослаблять его действие. Чаще всего синергизм проявляют ионы Са2+ и Mg2+. Например, предварительная инкубация киназы фосфорилазы с данными ионами в течение короткого времени приводит к семикратному увеличению каталитической активности.

По-видимому, катионы Са2+ и Mg2+ при совместном присутствии повышают степень взаимодействия этой киназы с гликолем.

В присутствии ионов Mg2+ катион кальция ингибирует креатинкиназу. Очевидно, креатинкиназа связывает ионы Са2+ и Mg2+ разными участками, поскольку Mg2+ не препятствует тормозящему действие кальция даже при добавлении его в 100-кратном избытке по отношению к Са2+.

На каталитическую активность нативной ХЭ и иммобилизованной щелочноземельных металлов. Он стимулируют холинэстеразную активность на 30-60%. Этот эффект может быть вызван тем, что вблизи активного центра ХЭ расположена анионная группа, которая препятствует взаимодействию фермента с субстратом. Добавление солей указанных металлов приводит к связыванию этой группы ионами металлов-активаторов ХЭ, что создает наиболее благоприятные условия для образования комплекса Михаэлиса.

Оказалось, что чем больше радиус и заряд иона металла-активатора, тем меньшая концентрация его необходима для блокирования анионной группы ХЭ.

Катионы Са2+ активируют бутирилхолинэстеразу. В присутствии Са2+ возрастает максимальная скорость реакции, а величина константы Михаэлиса практически не меняется. Ионы Са2+, по-видимому, не конкурируют с субстратом за центры связывания, поскольку активацию нельзя снять избытком ацетилхолина. Действие Са2+ осуществляется аллостерически при связывании на специальных участках.

Интересно, что микроколичества ионов тяжелых металлов, таких как Pb, Hg, Cd, Tl, при концентрациях в общем случае ниже 10-7 – 10- моль/л активируют иммобилизованную ХЭ. Некоторые металлы группы платины, например Pt2+ и Rh3+, при определенных условиях также оказывают активирующее действие на иммобилизованную ХЭ.

Чаще всего ингибирующий эффект линейно связан с концентрацией эффектора. В случае же активации этот процесс имеет более сложную зависимость от концентрации ионов металлов. Прежде всего, увеличение каталитической активности наблюдается в небольшом интервале концентраций, не превышающем обычно 10- раз. Максимальная каталитическая активность проявляется иногда лишь при определенной концентрации эффектора. В отдельных случаях имеет небольшое плато. Отклонение концентрации от оптимальной приводит к уменьшению каталитической активности фермента, вплоть до уровня контрольного опыта.

Активирующее действие на каталитическую активность ферментов оказывают ионы не только щелочных и щелочноземельных металлов, но и ионы 3d-элементов, например Со2+ (на глюкозоизомеразу). Сравнение наблюдаемых эффектов для ионов Mg2+ и Со2+ показало, что активирующее действие ионов Mg2+ гораздо сильнее, чем Со2+. Максимальное активирующее действие ионов Mg2+ отмечается при концентрации (2.0 – 2.5)10-2 моль/л, а ионов Со2+ – в области концентраций (2.5 – 5.0)10-4 моль/л. Дальнейшее увеличение концентраций ионов Mg2+ и Со2+ приводит к ингибированию глюкозоизомеразы. Для ионов Со2+ этот эффект выражен сильнее и начинает проявляться уже при концентрациях 1.2510-3 моль/л.

Изучение активирующего действия ионов Mg2+ и Со2+ при их одновременном добавлении в реакционную смесь показало сложную зависимость степени активирования фермента как от абсолютных концентраций ионов металлов, так и от соотношения этих концентраций. Оптимальные концентрации ионов-активаторов в смеси ионов магния в сторону небольшого уменьшения, а для ионов кобальта(II) обычно увеличиваются примерно в 10 раз по сравнению с их раздельным добавлением.

Ионы Mg2+ и Со2+ связываются различными участками глюкозоизомеразы и по-разному влияют на ее активность. Поэтому механизм активирования изомеризации глюкозы этими ионами различен. Активирование ионами Mg2+ неконкурентный характер, а ионами Со2+ – синергетический. При совместном же применении ионов Mg2+ и Со2+ характер активации смешанный. При неконкурентном активировании глюкоза и ионы магния связываются с ферментом независимо друг от друга, образуя активный мостиковый тройной комплекс (рис.4.1, путь II). Небольшое значение константы указывает на высокую стабильность активного тройного комплекса (Mg2+ – E – S) и активированного фермента (Mg2+ - E) и незначительную величину константы скорости их распада на исходный фермент и фермент-субстратный комплекс (ES). Таким образом, основное количество глюкозоизомеразы при активировании ее ионами магния связано в тройной комплекс Mg2+ – E – S.

Активирование ионами кобальта(II), как отмечалось выше, имеет синергетический характер. Ионы Со2+, связываясь с молекулой глюкозоизомеразы, увеличивают сродство фермента к глюкозе. Кроме того, комплекс ES гораздо быстрее реагирует с ионами Со2+, чем свободный фермент.

Основная роль ионов Со2+ в этом случае заключается не столько в активировании фермента, сколько в придании его четвертичной структуре устойчивой к термоинактивации конформации. Кроме того, возникающая конформация облегчает присоединение глюкозы даже в отсутствие Mg2+, а в его присутствии ускоряет и образование мостикового тройного комплекса. В результате этого скорость изомеризации возрастает.

Процессы активации иммобилизованной ХЭ в присутствии ионов щелочноземельных металлов активации зависят от многих факторов:

концентрации субстрата, рН среды, активности иммобилизованного фермента (т.е. способа иммобилизации), концентрации активатора, времени инкубации, порядка действия субстрата и активатора на иммобилизованную ХЭ. Максимальный активирующий эффект наблюдается в области рН 8.95 – 9.05. Чем меньше каталитическая активность иммобилизованной ХЭ, тем большая концентрация ионов металлов необходима для создания активирующего эффекта.

Например, при одном из способов иммобилизации ХЭ, отличительной особенностью которого является наряду с включением фермента в матрицу из нитрата целлюлозы одновременное воздействие бифункционального реагента – глутарового альдегида, получают иммобилизованную ХЭ, обладающую примерно в 3-4 раза меньшей каталитической активностью, чем в случае последующей обработки иммобилизованного фермента бифункциональным реагентом.

4.2.5. Двойственность характера действия ионов металлов в Установлено двойственное влияние ионов металлов на активность ХЭ: активирующее действие при малых концентрациях и ингибирующее при больших. Даже такие катионы, как Na+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+ при высоких концентрациях не увеличивают каталитическую активность ХЭ. Ионы Pb2+, Hg2+, Cd2+, Tl+ при концентрациях меньше 10-7 – 10-6 моль/л активируют ХЭ, а при больших проявляют ингибирующий эффект. Чаще всего активирующее действие катионов связывают с возможностью образования тройного комплекса E – M – S (рис.4.1, путь II), обеспечивающего конформационно наиболее благоприятные условия для протекания ферментативной реакции.

Ингибирующее же действие ионов металлов в больших концентрациях объясняют конкурентной реакцией между катионами металлов и катионами субстрата (если субстрат имеет положительный заряд) за активный центр фермента. При больших концентрациях солей активный центр молекулы может быть занят ионами металла и окажется недоступным для катионов субстрата. Вследствие этого, в частности, может снижаться каталитическая активность как нативной, так и иммобилизованной ХЭ.

Очевидно, что действие ионов металлов на ферменты зависит от многих факторов, При этом трудно, а зачастую невозможно выделить определяющий фактор. При этом трудно, а зачастую невозможно, выделить определяющий фактор. В частности, влияние металлов на каталитическую активность ферментов зависит от природы металла, его размеров, заряда, потенциала ионизации, от природы фермента, нативный он или иммобилизованный, условий проведения ферментативной реакции. Чаще всего влияние ионов металлов на активность ферментов связывают с их способностью образовывать комплексы между ферментом и субстратом, которые могут участвовать в каталитическом процессе, облегчая перенос электронов, стабилизировать активную конформацию фермента или ассоциацию его субъединиц, а также выступать в роли «якорной группировки», не принимая непосредственного участия в акте катализа. Возможно также сочетание различных факторов из числа перечисленных. Данные об изменении свойств ферментов в присутствии ионов металлов обобщены в табл.5 Приложения.

1. К какому классу относятся металлоферменты?

2. Ионы каких металлов входят в состав ферментов?

3. Что называется апоферментом?

4. Какие металлоферменты называются истинными?

5. Какое количество атомов металла приходится на один апофермент?

6. Какие реакции катализируют металлоферменты?

7. Какие металлоферменты называются многоцентровыми?

8. Какой металл находится в активном центре дегидрогеназы?

9. Какой фермент катализирует окисление альдегидов до карбоновых кислот? Какой металл этот фермент содержит в активном центре?

10. В чем отличия истинных металлоферментов от металлоферментных комплексов?

11. Перечислите отличия строения кластера в металлоферменте.

12. Назовите возможные варианты участия металлов в ферментативных реакциях.

13. Какие вы знаете цинк-содержащие ферменты?

14. Каким образом ионы металлов влияют на каталитическую активность ферментов?

15. В чем заключается активирующее действие ионов металлов на активность ферментов?

16. Какой показатель используют для количественной оценки ингибирующего действия на ферменты ионов металлов?

17. Как изменяется каталитическая активность иммобилизованных ферментов в присутствии ионов металлов?

18. Каким образом активирующее влияние ионов металлов на ферменты зависит от концентрации?

19. В чем проявляется двойственность характера действия ионов металлов в зависимости от их концентрации?

20. Приведите примеры конкурентного и неконкурентного активирования ионами металлов ферментов.

5. ФУНКЦИИ ДНК В ОРГАНИЗМЕ И ЕЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С

НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫМИ ЭФФЕКТОРАМИ

5.1. Взаимодействие ДНК с ионами тяжелых металлов Строение и функционирование всех живых организмов определяется структурной информацией, самовоспроизводящимся носителем которой являются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В ДНК накапливаются разнообразные мутационные изменения, которые приводят к изменчивости организма и подлежат естественному отбору. Информация, закодированная в ДНК, передается рибонуклеиновой кислоте (РНК) – посреднику (матричной РНК), и далее воплощается в структуре белков – носителей всех жизненных функций.

Молекула ДНК представляет собой линейную макромолекулу, звеньями которой являются нуклеотиды. Отдельный нуклеотид состоит из сахара, фосфата и азотистого основания (пуринового, либо пиримидинового). Нуклеотиды, кроме основной функции кодирования наследственной информации, выполняют и другие биологически важные функции, например, аденозинтрифосфат (АТФ) является источником энергии, проявляет свойства антибиотика, ингибитора синтеза белков, входит в состав коферментов. Нуклеотиды объединяются в первичную структуру ДНК (одноцепочечная), с последующей организацией в двойную спираль (может быть комплементарности азотистых оснований: G – C, A – T (рис.5.1).

Нативная ДНК на клеточном уровне характеризуется более высокой степенью организации (цепи ДНК в белковом каркасе обрзуют хромосомы).

Рис.5.1. Фрагмент молекулы ДНК: А – дезоксиаденозин, G– дезоксигуанозин, Т – дезокситимидин, С - дезоксицитозин Молекула ДНК в организме представляет собой полианион с высокой поверхностной плотностью заряда (рис.5.2).

Поэтому, ионы металлов, присутствующие в клетке, взаимодействия с биомолекулой, определяют ее пространственную структуру, макроскопические и биохимические свойства. Например, наличие противоионов является обязательным условием стабилизации нативной структуры ДНК в растворе. Однако ионы металлов не только стабилизируют структуру ДНК, определяют равновесие между различными ее формами, влияют на переходы спираль – клубок, регулируют процессы биосинтеза с участием нуклеиновых кислот, но и участвуют в процессах мутагенеза и канцерогенеза. При этом для каждого металла существует свой механизм токсичного действия, обусловленный конкуренцией между необходимыми и токсичными металлами за места связывания в нуклеиновых кислотах. Такие реакции существенным образом изменяют конформацию и биологические свойства макромолекул.

Рис.5.2. Фрагменты молекулы ДНК; нуклеозиды А, G, Т, С соединены друг с другом 3,5 - фосфодиэфирными связями По результатам термодинамических исследований, методов РСА, ЭПР, ЯМР, УФ и ИК-спектроскопии доказано наличие мест связывания ионов металлов на поверхности нуклеиновых кислот (рис.5.2):

1. Эндоциклические атомы азота пуриновых и пиримидиновых оснований и атомы кислорода кетогрупп азотистых оснований.

Сродство ионов металлов к различным центрам связывания азотистых оснований не одинаково. Например, в случае пурина сродство ионов металла к центрам связывания изменяется в ряду N(7) N(1)N(3), а в случае тимина – О(2) О(4).

Возможно также одновременное связывание иона металла с N(7) и О(6) атомами гуанина с образованием хелата. Кислород, входящий в состав кетогруппы оснований, может образовывать и водородные связи с другими лигандами координационной комплексообразованию.

2. Отрицательно заряженные атомы кислорода фосфатных групп связываются за редким исключением со всеми ионами металлов с образованием ионных связей.

3. Гидроксильные группы рибозы и дезоксирибозы. Они образуют соединения со щелочными и щелочно-земельными металлами. Из d-металлов по этому центру взаимодействует По величине относительной способности связывания с азотистыми гетероциклическими основаниями ДНК двухзарядные ионы металлов располагаются в следующий ряд: Cu2+ Cd2+ Pb2+ согласуется с рядом, полученным Эйхгорном на основании влияния ионов на температуру плавления и величину сдвига максимума поглощения ДНК (при = 280 нм). В этом ряду ион Cu2+ обладает наибольшим сродством к основаниям ДНК, и механизм его взаимодействия в некоторой мере может послужить моделью в остальных случаях. При высоких степенях заполнения ионы меди образуют хелатный комплекс с атомами N(7) и О(6) гуанина. Это связывание специфично с гетероциклическим парам и приводит к дестабилизации вторичной структуры ДНК из-за ослабления Дестабилизирующее действие ионов меди обусловлено главным образом более сильным взаимодействием с азотистыми основаниями, чем с фосфатными группами денатурированной ДНК. При низких концентрациях ионов меди преобладает взаимодействие с фосфатами, приводящее к повышению термостабильности ДНК.

По действию на ионы Ag+, Hg2+, Fe2+, Pb2+, Zn2+ близки к ионам меди. И для этого ряда ионов также характерны особенности взаимодействия и модели комплексов, предложенные для связывания ионов меди с ДНК. Ионы свинца имеют сильное сродство, как к фосфатным группам ДНК, так и к азотистым гетероциклическим основаниям, особенно к цитозину.

Многие ионы переходных металлов обладают довольно высокими значениями констант связывания по сравнению с ионами щелочноземельных металлов. При концентрации свободных ионов металлов 10-5 моль/л вследствие высоких значений констант связывания металлов с ДНК достигается почти полное заполнение мест связывания на полимере. Ионы тяжелых металлов в значительной степени влияют на макромолекулярные и термодинамические параметры ДНК. Взаимодействие с ионами металлов изменяет конформацию нуклеиновых кислот на различных уровнях организации макромолекул.

На рис.5.3 показаны пути, по которым металлические комплексы вмешиваются в процесс репликации ДНК. На рис.5.3,а представлен стандартный механизм репликации. Прочное ковалентное связывание металла одновременно с двумя ветвями молекулы ДНК останавливает расплетание двойное спирали и делает репликацию невозможной (рис.5.3,б).

Рис. 5.3. Механизм репликации ДНК и влияние на него металлов Из рис.5.3,в видно, что образование прочного комплекса одной ветви спирали с металлом в виде обособленного аппендикса укорачивает молекулу ДНК. В результате два ранее удаленных друг от друга участка ДНК сильно сближаются в пространстве. Возможность репликации не исчезает, но происходит репликация новой ДНК с совершенно другой последовательностью нуклеотидов. Учитывая схему передачи структурной информации становится очевидно, что влияние металла может привести к синтезу нового белка.

Копирование кода ДНК в форме полирибонуклеотида м-РНК осуществляется с помощью фермента РНК-полимеразы, который был выделен из различных бактерий, например из E.coli и M. lysodeicticus, а также из клеток млекопитающих. Эти полимеразы нуждаются в ДНК в качестве матрицы, рибонуклеозидтрифосфатах (АТФ, ЦТФ, ГТФ и УТФ) и ионах металлов. Каталитическую активность проявляют ионы следующих металлов: Mg2+, Mn2+, Co2+. С ферментом из M.lysodeicticus ионы Mg2+ проявляют высокую селективность по отношению к субстрату, но в этом случае в присутствии ионов магния происходит включение рибонуклеотидов, а не дезоксинуклеотидов. Таким образом, с РНК-полимеразой ионы магния проявляют противоположный по сравнению с ДНК-полимеразой из E.coli эффект селективности в отборе нуклеотидов, содержащих или не содержащих 2- гидроксильную группу. Ионы магния вызывают включение правильного нуклеотида как при синтезе ДНК, так и при синтезе РНК.

Марганец в противоположность магнию имеет изменяющуюся координационную способность, в то время как действие магния ограничивается связыванием с фосфатом. Вследствие этого марганец обладает меньшей способностью различать нуклеотиды, и в результате полимеризации ДНК теряет специфичность. Способ, которым ионы металлов влияют на полимеризацию, неизвестен, хотя известно, что металлы нужны как для инициирования реакции, так и для роста полимерной цепи. В общем, возможно, что катионы стимулируют инициирование реакции, воздействуя на организацию субъединиц, из которых состоит фермент. В качестве активатора РНК-полимеразы, кроме Mg2+ и Mn2+ можно использовать также Со2+, ионы других металлов неэффективны.

Эти примеры упрощенно представляют один из механизмов влияния на молекулярном уровне металла на функционирование живого организма.

Уровень повреждений ДНК и разрывы в цепи зависят от времени действия и от концентрации металла. Для хлорида кадмия максимальная разовая доза, вызывающая наибольшее число разрывов одноцепочечной ДНК и повреждений, составляет 10-5 моль/л. Ионы кадмия и никеля оказывают также мутагенное и канцерогенное действие. Уровни повреждений нативной и денатурированной ДНК и количество сшивок ДНК-белок в лимфоцитах крови человека при воздействии растворов хлоридов кадмия и никеля, как правило, значительно больше, чем при их отсутствие. Образование злокачественных опухолей сопровождается увеличением содержания металлов в ДНК раковых клеток, в частности количество цинка в ДНК, выделенной из злокачественной опухоли молочной железы, в семь раз превосходит его содержание в ДНК из доброкачественной фибромы.

Механизмы токсического действия свинца связаны с непосредственным взаимодействием с ДНК через фосфатные группы и нуклеозиды, главным образом, цитидин. При определении концентрации тяжелых металлов в опухолевой и неповрежденной тканях почки человека обнаружено, что в опухолевой ткани содержится большее количество тяжелых металлов (Cu, Cd, Zn), чем в нормальной. При этом также выявлено, что в опухолевой ткани почки содержится большее количество свободных радикалов и ряда токсичных веществ.

Потенциально генотоксичным металлом является и кобальт, так как вызывает необратимые нарушения в структуре ДНК. Несмотря на большое физиологическое значение кобальта, у лиц, подвергшихся длительному воздействию кобальта (выбросы на производстве, использование имплантантов и протезов на основе кобальтовых сплавов), снижается артериальное давление, в тканях накапливается молочная кислота, которая нарушает нормальное функционирование печени.

Медь и железо имеют большое значение в образовании гемоглобина и эритроцитов. Их недостаток вызывает тяжелые формы анемии. При нарушении процесса синтеза гемоглобина в организме происходит накопление свободных ионов данных металлов, которые оказывают токсический эффект на организм человека. Данные ионы имеют большое сродство к ДНК и, встраиваясь в ее структуру, вызывают одно- и двунитевые разрывы молекул ДНК, находясь в избыточном количестве в клетках раковых опухолей и являются потенциальными мутагенными и канцерогенными агентами. С высоким сродством к азотистым основаниям ДНК связано цитостатическое действие данных тяжелых металлов, что легло в основу разработки железо- и медьсодержащих противоопухолевых препаратов.

Конечная стадия в интерпретации когда ДНК для синтеза белка заключается в узнавании молекулами тРНК, специфическими для каждой аминокислоты, кодонов на мРНК, которые находятся на поверхности рибосомы. Явление трансляции сильно зависит от влияния ионов металлов на конформацию двух составляющих этого процесса – тРНК и рибосомы.

Важность ионов металлов для процесса трансляции ярко иллюстрирует тот факт, что концентрация присутствующего двухвалентного иона металла может определять, сколько именно аминокислот будет включено в белок данным кодоном. Обычно для синтеза белка in vitro необходимы ионы магния.

Присутствие ионов металлов имеет большое значение для нормальных процессов репликации, транскрипции и трансляции.

Замена иона металла или изменение его концентрации может привести к неправильному протеканию этих процессов. Механизмы воздействия ионов металлов на эти процессы связаны со способностью ионов металлов взаимодействовать со многими электронодонорными центрами этих молекул: фосфатными группами, основаниями и гидроксильными группами рибозы.

Ионы металлов, присоединенные к активным центрам в полинуклеотидах, оказывают на них резкое влияние, вызывая лигандные реакции, сильно изменяющие структуру макромолекул.

Присутствие ионов металлов имеет большое значение для нормальных процессов репликации, транскрипции и трансляции и что замена иона металла или изменение его концентрации могут привести к неправильному протеканию этих процессов. Механизмы воздействия ионов металлов на эти процессы мало изучены. Можно предположить, что они связаны со способностью ионов металлов взаимодействовать со многими электронодонорными центрами этих молекул:

фосфатными группами, основаниями и гидроксильными группами рибозы. Ионы металлов, присоединенные к таким центрам в полтинуклеотидах, оказывают на них резкое влияние, вызывая лигандные реакции, сильно изменяющие структуру макромолекул.

5.5. Взаимодействие ДНК с комплексами металлов, обладающими В настоящее время металлы очень широко используются для создания новых лекарственных препаратов и диагностических средств.

Если обратиться к специальной литературе, то обнаруживается, что для этой цели предлагаются соединения практически всех биогенных элементов: Na, Mg, K, Ca, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo.

Обычно из тестируемых в подобных исследованиях соединений положительный терапевтический эффект обнаруживается примерно у 6-8. Свойства же ядов проявляет принципиально большее число соединений. Учитывая, что стоимость биохимических тестов очень велика, ясно, что создание новых лекарств доступно лишь богатым, индустриально и интеллектуально развитым странам.

Если в организме обнаружены токсичные металлы, содержание которых превышает порог, то для их выведения применяют специальные препараты. Обычно это лиганды с набором донорных атомов, способных связать нежелательные ионы металлов в прочные координационные соединения. Если ион металла специально вводят в организм в виде лекарственных средств, то удобной формой обычно служить координационное соединение либо с эндогенным лигандом, либо с нетоксичным экзогенным лигандом. Биодоступность координационных соединений выше, чем свободного иона металла, так как координационные соединения легче проходят через липидные оболочки клеток.

Ввиду роста распространенности онкологических заболеваний, большое внимание уделяется в последнее время изучению взаимодействия противоопухолевых препаратов различной природы с ДНК с целью выяснения механизма таког взаимодействия, анализа изменений в структуре ДНК при повреждающем действии данных эффеторов, выяснения причины мутаций, происхождения некоторых заболеваний, в том числе онкологических и наследственных. Изучение взаимодействия противоопухолевых препаратов с ДНК является важным аспектом при рациональной разработке новых, более эффективных препаратов и новых методов их определения, а также для изучения фармакокинетики.

В клинической практике широко используются следующие основные типы противоопухолевых препаратов:

На сегодняшний день в клинической практике широко используются следующие основные типы металлосодержащих противоопухолевых препаратов:

1. Препараты на основе комплексов платины(II) и платины(IV) (цисплатин, карбоплатин и др.).

2. Препараты на основе комплексных соединений других металлов (Re, Ru, Os, Co, Cu, Fe, Ni и др.) – металлоинтеркаляторы.

цис-дихлородиамминплатина(II) (цисплатин, цис-ДДП)) уже давно применяются для лечения различных видов опухолей. Цисплатин был первым комплексным соединением платины, обладающим противоопухолевой активностью, и был обнаружен Б.Розенбергом в 1969 году.

Начиная с этого времени, во многих странах развернулись широкие поиски веществ, обладающих противоопухолевой активностью, среди комплексных соединений металлов. Подавляющее большинство исследованных комплексов относятся к соединениям платины, имеющим как относительно простое строение, так и содержащим сложные неорганические и органические лиганды.

Опухолевые клетки по сравнению с нормальными характеризуются более высоким уровнем синтеза ДНК, именно на эти молекулы направлено действие ряда противоопухолевых препаратов.

По характеру взаимодействия с ДНК соединения платиновых металлов делятся на две группы. В первую входят платиновые комплексы, содержащие плоский терпиридиновый лиганд с расположенными в центре Pt(II) или Pd(II) (рис.5.4,а). Они не образуют координационных связей с ДНК, а интеркалируют между уложенными в стопку парами азотистых оснований, без нарушения уотсонкриковского связывания. Прямое доказательство того, что такие соединения существуют, дают кристаллографические исследования.

Ко второй группе относятся комплексы цис- и трансдихлороамминового типа (рис.5.4,б), которые образуют координационные связи с мономерными составляющими нуклеиновых кислот.

Рис. 5.4. Типы соединений Pt(II), взаимодействующие с молекулой ДНК.

Активные комплексы ингибируют синтез ДНК in vivo и in vitro за счет реакций с гетероциклическими основаниями одной цепи двуспиральной ДНК. Для платины характерно образование устойчивых связей с азотсодержащими лигандами, что делает вероятным протекание нуклеофильного замещения ацидолигандов на азотистые основания ДНК. Цис-ДДП может взаимодействовать и с основаниями ДНК, находящимися в разных нитях двойной спирали, так называемое межнитевое сшивание, например с комплементарными основаниями гуанином и цитозином, однако этот тип связи не является доминирующим, лишь 1% от общего количества связанной с ДНК платины участвует в межнитевом сшивании.

Таким образом, более вероятно связывание цис-ДДП молекулами оснований одной спирали ДНК, так называемое внутринитевое сшивание, и связывание с одним и тем же основанием ДНК по хелатному типу. Именно внутринитевое сшивание может объяснить зависимость противоопухолевой активности от геометрической конфигурации комплексов: расстояние между плоскостями оснований в ДНК 0.34 нм, что соответствует расстоянию между атомами хлора в цис-ДДП (0.33 нм) и отличается от расстояния 0.47 нм в трансизомере. Благодаря этому становится возможным внутринитевое сшивание ДНК с цис-ДДП с образованием хелатного комплекса, в котором на один атом платины(II) приходится две молекулы нуклеозида (рис.5.5).

Рис.5.5. Фрагмент молекулы ДНК после взаимодействия с цисплатином Плоские комплексы платины внедряются между нитями ДНК, раздвигая их, предотвращая нежелательное деление и рост клеток.

Наличие у иона Pt2+ конфигурации d8 требует квадратно-плоскостной конфигурации комплекса. Такая же конфигурация может быть у комплексов Pd2+, Au3+, Rh+, Ir+, но эти ионы либо легко восстанавливаются, либо стремятся перейти в неплоский координационный полиэдр, что не позволяет использовать их в качестве противораковых препаратов.

В принципе противоопухолевая активность комплексов платины зависит от многих факторов: заряда комплекса, степени окисления центрального атома, природы нейтральных и ацидолигандов, кинетической и термодинамической устойчивости комплексов.

Большинство дихлороамминов платины(II) плохо растворимы в воде, однако для внутривенных инъекций комплексы должны обладать хорошей растворимостью. Сопоставляют противоопухолевую активность и с неводной, липидной растворимостью, так как она Противоопухолевой активностью обладают не только неэлетролиты, но и заряженные комплексы, однако, они хуже проникают через липидную клеточную мембрану.

Комплексы платины(IV) также обладают антираковой активностью. Комплексы Pt(IV) устойчивее и инертнее комплексов Pt(II), но в тоже время они лучше проникают через клеточную мембрану. В середине 1970-х годов двумя группами исследователей в Англии и СССР была обнаружена высокая антираковая активность комплекса цис-[Pt(NH3Cl)2(OH)2], получившего название оксоплатин, токсичность которого в 10 раз меньше по сравнению с цис-ДДП.

Установлено, что транс-изомер этого соединения активностью не обладает.

Механизмы действия существующих онкопрепаратов на основе платиновых металлов, их фармакокинетика, особенности взаимодействия с ДНК на настоящий момент до конца не изучены.

Основные недостатки известных противоопухолевых агентов – токсичность и неизбирательность действия. С целью уменьшения токсичности данного класса онкопрепаратов и снижения риска повреждения здоровых клеток организма, а также побочных эффектов разрабатываются новые лекарственные формы препаратов. При поиске новых противоопухолевых агентов особенное внимание уделяется структурным аналогам цисплатина, прежде всего нейтральным диаминовым комплексам платины(II) и палладия(II) цис-[MA2X2] (M = Pt2+, Pd2+, A = алкил- и гетероциклические амины), в том числе хелатным комплексам, с хелатирующими аминными лигандами N – N, такими как 2,2- дипиридилы, полипиридины и 1,10-фенантролины.

Например, оба изомера цис- и транс-[Pt(py)2Cl2] с планарными пиридиновыми лигандами показывают противоопухолевую активность и ингибируют синтез ДНК, но комплекс с цис-геометрией сильнее связывается с ДНК, чем транс-соединение.

Фармакологической активностью обладают также биядерные мостиковые комплексы, в том числе соединений, содержащих катионы типа В связи с изучением фармакологического действия би- и полиядерных 1,10-фенантролиновых комплексов обращают на себя NHCOCH3)Pt2+(phen)]2(NO3)4 и 1,10-фенантролиновые платиновые сини состава Pt(phen)(NHCOCH3)2X (X = NO3-, CF3SO3-, Cl-).

Противоопухолевыми свойствами обладают также смешанновалентные платиновые сини состава [(Pt2+)3Pt3+(NH3)8(-L4)] (L = депротонированный амидатный лиганд).

Спектр онкопрепаратов из второй группы очень широк, синтезируются и исследуются комплексы металлов с органическими лигандами, обладающие противоопухолевой активностью. Данные комплексы – металлоинтеркаляторы – состоят из центрального атома металла, окруженного ароматическими гетероциклическими планарными кольцами, способными встраиваться между парами электростатического, ионного, гидрофобного взаимодействия. Такие комплексы хорошо растворяются в воде (что является важным в фармакологии), при наличии чувствительной аппаратуры возможно изучение их взаимодействия с ДНК и определение как электрохимическими, так и спектральными методами.

Кластеры и коллоиды палладия, платины, серебра и золота, имеющие металлическое ядро и оболочку, содержащую 1,10фенантролины, запатентованы в качестве металлоорганических зондов для использования в биохимических целях. Особенный интерес в качестве зондов ДНК представляют электрон-избыточные надмолекулярные 1,10-фенантроцианины переходных металлов – координационные соединения нового структурного цианинового класса. Их считают потенциальными фармакологическим агентам нового поколения, темплатно-связывающимся с ДНК. Они склонны к участию в биохимических процессах, обеспечивающих редоксопосредованное антибактериальное, противовиручное и противоопухолевое действие. Электрон-избыточные 1,10-фенантроцианиновые комплексы имеют более сложную. Чем их 1,10-фенантролиновые предшественники, С-С-димерную или С-С-олигомерную би- или полиядерную структуру, специфическое электрон-избыточное строение хромофорных фрагментов. Они характеризуются повышенным сродством к полимерным субстратам и редокс-активностью, что является предпосылками для повышения селективности связывания таких агентов с биологическими мишенями, например с ДНК, и для участия их в редокс-процессах.

Подобный прогноз основывается на том, что даже существенно более простые по структуре 1,10-фенантролиновые комплексы связываются с ДНК различным образом: путем интеркалирования, внешнего ионно-ассоциативного или ковалентного связывания, а в случае комплексов с редокс-активными ионами d-элементов способны расщеплять ДНК в редокс- и фоторедокс-процессах. Способ связывания координационного соединения с ДНК определяется совокупностью факторов: типом и структурой комплекса, его термодинамической стойкостью в растворах, а также кинетической лабильностью в реакциях замещения лигандов.

1. В чем отличие денатурации белков и ДНК?

2. Роль ДНК и РНК в организме?

3. Из чего состоят нуклеотиды? Их роль в организме.

4. В чем отличие денатурации белков в ДНК?

5. Что представляет собой нативная ДНК?

6. Что способствует стабилизации нативной ДНК?

7. Какие факторы влияют на переходы спираль – клубок в структуре 8. Какие места связывания ионов металлов находятся на поверхности нуклеиновых кислот?



Pages:   || 2 | 3 |
 


Похожие работы:

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ГОРНО-АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Биохимия и молекулярная биология Учебно-методический комплекс Для студентов, обучающихся по специальности Биология. Горно-Алтайск РИО Горно-Алтайского госуниверситета 2009 Печатается по решению редакционно-издательского совета Горно-Алтайского университета ББК 24.1 Н 52 Биохимия и молекулярная биология: учебно-методический комплекс...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Рабочая программа дисциплины (модуля) Органическая и физколлоидная химия Направление подготовки 111801 Ветеринария Квалификация (степень) выпускника – специалист Форма обучения очная Орел 2012 год Оглавление Введение 1. Цели и задачи дисциплины 2. Место дисциплины в структуре ООП 3. Требования к результатам...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ ИНСТИТУТ ХОЛОДА И БИОТЕХНОЛОГИЙ А.П. Нечипоренко ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ (ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ) МЕТОДЫ АНАЛИЗА Электрохимические методы Потенциометрия и кондуктометрия Учебно-методическое пособие Санкт-Петербург 2013 УДК 543 Нечипоренко А.П. Физико-химические (инструментальные) методы анализа. Электрохимические методы. Потенциометрия и...»

«Факультет естественных наук Химическое отделение Кафедра органической химии ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ПРОГРАММА ЛЕКЦИОННОГО КУРСА, СЕМИНАРОВ, ПРАКТИКУМА И САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ Курс 2–й, III–IV семестры Методическое пособие Новосибирск 2009 Методическое пособие, предназначено для студентов II курса факультета естественных наук, специальность химия. В состав пособия включены: программа курса лекций, структура курса и правила ИКИ, программа практикума по органической химии, методические...»

«Малыгин Е.Н., Краснянский М.Н., Карпушкин С.В., Мокрозуб В.Г., Борисенко А.Б. НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОТКРЫТОМ ИНЖЕНЕРНОМ ОБРАЗОВАНИИ МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1 2003 Малыгин Е.Н., Краснянский М.Н., Карпушкин С.В., Мокрозуб В.Г., Борисенко А.Б. НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОТКРЫТОМ ИНЖЕНЕРНОМ ОБРАЗОВАНИИ Учебное пособие МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1 ББК Ч481. Н Рецензенты: Доктор технических наук, профессор ТГУ им. Г.Р. Державина А.А. Арзамасцев Кандидат...»

«Н.Л. ГЛИНКА ОБЩАЯ ХИМИЯ Учебное пособие Издание стереотипное УДК 54(075.8) ББК 24.1я73 Г54 Глинка Н.Л. Г54 Общая химия : учебное пособие / Н.Л. Глинка. — Изд. стер. — М. : КНОРУС, 2012. — 752 с. ISBN 978-5-406-02149-1 Учебное пособие предназначено для студентов нехимических специальностей высших учебных заведений. Оно может служить пособием для лиц, самостоятельно изучающих основы химии, для учащихся химических средних профессиональных образовательных...»

«Трофимов С.Я., Караванова Е.И. ЖИДКАЯ ФАЗА ПОЧВ Москва Университетская книга 2009 УДК 631.416.8 ББК 40.3 Т 761 Рецензенты: Доктор биологических наук профессор Соколова Т.А. Доктор биологических наук профессор Чуков С.Н. Рекомендовано учебно-методической комиссией факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 020701 и направлению 020700 – Почвоведение Трофимов С.Я., Караванова Е.И. Т 761 Жидкая фаза почв: учебное пособие...»

«ФГОУ СПО Ленинградский технический колледж Курс лекций по аналитической химии учебное пособие для студентов II курса ФГОУ СПО ЛТК Специальность 260502 Технология продукции общественного питания Ст. Ленинградская 2011г. Учебное пособие составлено преподавателем ФГОУ СПО Ленинградский технический колледж Краснобаевой О.П. Рассматриваются теоретические основы аналитической химии, качественный анализ, основные методы количественного анализа. Учебное пособие соответствует программе средних учебных...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет естественных наук В. А. РЕЗНИКОВ ХИМИЯ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Учебное пособие для студентов специальности “Химия” и “Биология” Новосибирск 2006 ББК Г23я73-1 УДК 547 Р344 Резников В. А. Химия азотсодержащих органических соединений: Учеб. пособие / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2006. 130 с. Учебное пособие содержит материал по химии основных классов азотсодержащих органических соединений,...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ КАФЕДРА СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЙ И ТОВАРОВЕДЕНИЯ СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЙ Рабочая программа, темы контрольных работ и методические указания по их выполнению для студентов I курса заочной формы обучения ИЗДАТЕЛЬСТВО САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ Рекомендовано...»

«Н.А. АБАКУМОВА, Н.Н. БЫКОВА ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ОСНОВЫ БИОХИМИИ Часть 1 Тамбов Издательство ГОУ ВПО ТГТУ 2010 Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тамбовский государственный технический университет Н.А. АБАКУМОВА, Н.Н. БЫКОВА ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ОСНОВЫ БИОХИМИИ Часть 1 Утверждено Учёным советом университета в качестве учебного пособия для студентов 1, 2 и 3 курсов специальностей 240902, 240401,...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ХИМИЯ Задачи по общей химии Учебное пособие для самостоятельной работы студентов 1 курса технических направлений и специальностей Издательство Иркутского государственного технического университета 2008 Задачи по общей химии. Учебное пособие для самостоятельной работы студентов 1 курса технических направлений и специальностей. Составили: Ю.Н. Пожидаев, В.П. Зуева, О.В. Лебедева, З.Н. Топшиноева, Г.М....»

«Министерство здравоохранения Украины Донецкий национальный медицинский университет им. М. Горького Методические указания для студентов 2-го курса фармацевтического факультета по самостоятельной подготовке к практическим занятиям по аналитической химии Донецк, 2012 УДК 543 (075.5) Авторы: к.х.н., доц. Глушкова Е.М. Данное методическое пособие предназначено для самостоятельной подготовки по аналитической химии студентов 2-го курса фармацевтического факультета. Методические указания по каждой теме...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ Немилов С.В. ОПТИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ СТЕКЛА Учебное пособие Санкт- Петербург 2009 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ Немилов С.В. ОПТИЧЕСКОЕ...»

«Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова Научно-образовательный центр по нанотехнологиям Химический факультет Кафедра химической технологии и новых материалов А.Ю. Алентьев, М.Ю. Яблокова СВЯЗУЮЩИЕ ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Учебное пособие для студентов по специальности Композиционные наноматериалы МОСКВА 2010 Редакционный совет: проф. В.В. Авдеев проф. А.Ю. Алентьев проф. Б.И. Лазоряк доц. О.Н. Шорникова Методическое руководство предназначено для слушателей...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУ ВПО МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ БОЛЬШОЙ ПРАКТИКУМ ПО БИОЭКОЛОГИИ Учебное пособие Часть 1 Йошкар-Ола 2006 ББК Е 081.я7 УДК 574.24 Б 799 Рецензенты: С.И. Новоселов, д-р с./х. наук, профессор МарГУ; Р.Р. Иванова, канд. биол. наук, доцент МарГТУ Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом МарГУ Воскресенская О.Л. Б 799 Большой практикум по биоэкологии. Ч. 1: учеб. пособие / Мар. гос. ун-т; О.Л. Воскресенская, Е.А. Алябышева, М.Г....»

«Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановский государственный химико-технологический университет МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 240301 ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ Составители: А.В. Кунин Л.Н. Морозов А.П. Ильин Иваново 2007 1 Составители: А.В. Кунин Л.Н. Морозов А.П. Ильин УДК 66.02.001.63 (7) Методические указания по...»

«ЭТНОЛОГИЯ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ИВАНОВО 2004 Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановский государственный химико-технологический университет ЭТНОЛОГИЯ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ Составитель В.А. АВЕРИН ИВАНОВО 2004 2 Составитель В.А. Аверин Этнология. Методические рекомендации / Сост. В.А. Аверин; Иван. гос. хим.-технол. ун-т. Иваново, 2004. – с. Методические указания курса Этнология составлены на...»

«. В. Логвиненко, Э. И. Сергеева МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов геологических специальностей вузов ЛЕНИНГРАД НЕДРА ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ 1986 УДК 652.6 Логвиненко. В., Сергеева Э. И. Методы определения осадочных пород: Учебн. пособие для вузов.— Л.: Недра, 1986. 240 с. Рассмотрены наиболее распространенные осадочные породы (обломочные, глинистые, карбонатные и кремнистые),...»

«Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской федерации Кафедра фармацевтической и токсикологической химии ЭКОЛОГИЯ КАК НАУКА Учебное пособие Иркутск ИГМУ 2013 УДК 502.1 (075.8) ББК 28.081 я 73 И44 Учебное пособие обсуждено на методическом совете фармацевтического факультета ИГМУ, рекомендовано к печати и использованию в учебном процессе на кафедре...»







 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.